長九神山灰?guī)r礦爆破開采滾石控制研究*

陳名英，劉建程，熊峻巍，尹岳降，盧文波，陳 明

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2.武漢大學(xué) a.水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

爆破是礦山開采中常用的手段[1]，在加快施工速度、提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也不可避免地帶來了如振動(dòng)、噪聲、飛石、滾石、有毒有害氣體等有害效應(yīng)。其中，滾石引起的災(zāi)害在礦山梯段爆破開采中不容忽視。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)路徑已進(jìn)行了大量的研究計(jì)算。黃潤秋等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了邊坡類型對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的阻滯作用[2]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)70%的巖體停留于坡面，緩坡、覆蓋層和坡面平臺(tái)對(duì)滾石坡面運(yùn)動(dòng)的阻滯作用明顯。張亞輝[3]、呂慶等人將滾石簡化為剛體[4]，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別提出了邊坡滾石的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算公式。李新翰通過AUTODYN建模進(jìn)行爆破飛散物拋擲初速度研究[5]，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析；張?jiān)迄i提出在梯段爆破開挖中可以將柱狀藥包分解為球形藥包，利用疊加原理對(duì)各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)初速度進(jìn)行矢量疊加。

滾石的沖擊與防護(hù)也得到了廣泛的研究。Pichler B等通過巖崩試驗(yàn)[6]，得到了一種被廣泛運(yùn)用的半經(jīng)驗(yàn)的沖擊力計(jì)算公式。王星等提出了滾石沖擊力的LS-DYNA算法[7]，并與傳統(tǒng)的脈沖算法、彈塑性算法等計(jì)算結(jié)果對(duì)比相吻合。冉永華基于重慶某高速公路邊坡危巖崩塌的工程背景[8]，利用Rockfall軟件進(jìn)行落石運(yùn)動(dòng)路徑分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行攔石網(wǎng)的設(shè)計(jì)。陶志剛通過對(duì)“平臺(tái)滾石防護(hù)措施”和“平臺(tái)V形槽滾石防護(hù)措施”的正交試驗(yàn)對(duì)比[9]，提出設(shè)計(jì)V形槽或者增加平臺(tái)寬度均可以加速減小滾石運(yùn)動(dòng)距離。Zhu C和Wang D S等通過試驗(yàn)證明砂石墊層對(duì)落石沖擊產(chǎn)生有效緩沖[10]，其中墊層厚度是最主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

在礦山露天梯段爆破開采作業(yè)中，爆落的巖塊中不乏大體積巖石，且常伴有較大的初速度，在高陡邊坡地形的影響下向坡底滾落，對(duì)礦山內(nèi)設(shè)施設(shè)備、施工人員構(gòu)成較大威脅，在本工程中甚至對(duì)周邊農(nóng)田、公路、民房帶來安全隱患。因此，對(duì)爆破過程中滾石的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，并采取有效措施進(jìn)行防護(hù)，是必須面對(duì)和亟待解決的重要問題。

1 工程背景

長九神山灰?guī)r礦礦山位于安徽省池州市西南方向約37 km處，池州神山北麓山腳，隸屬池州市貴池區(qū)牌樓鎮(zhèn)青山村、神山村、濟(jì)公村管轄，礦區(qū)范圍面積5.14 km2。礦山以生產(chǎn)建筑骨料為主、水泥用原料為輔，投產(chǎn)后礦山即建成產(chǎn)能達(dá)7000萬t的建筑石料生產(chǎn)線，開采規(guī)模與露天骨料加工規(guī)模都將成為世界第一。由于神山骨料礦開采范圍廣、規(guī)模大，服務(wù)年限長，礦區(qū)周邊村莊多，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其中爆破開采過程中產(chǎn)生的滾石危害得到了極大關(guān)注，是工程中亟待重視及控制的重要因素。

礦區(qū)屬丘陵地貌，山體總體走向呈北東向NE40°～60°，東西長約4.5 km，南北寬約1.5 km；礦區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體特征為中部高，向周邊逐步降低，最大標(biāo)高408.63 m，最低點(diǎn)標(biāo)高27.60 m，相對(duì)最大高差381.03 m。礦區(qū)灰?guī)r礦埋藏淺，厚度大，賦存標(biāo)高基本位于當(dāng)?shù)氐乇順?biāo)高以上。礦山為緩傾角的獨(dú)立山體，坡度為20°～30°，山體植被發(fā)育，主要為灌木及闊葉林，如圖1所示?；诖耍扇÷短毂崎_采方式，礦山采剝工作面采用礦體走向布置方式，自上而下開采，采場(chǎng)梯段高度為15 m。

圖 1 長九神山灰?guī)r礦邊坡Fig. 1 Highwall of Changjiu Shenshan limestone mine

長九神山礦區(qū)涵蓋多個(gè)村莊，居民較為密集，周圍有民房300余戶，主要分布在礦區(qū)東南部山坡坡腳，大都位于300 m爆破警戒線范圍內(nèi)。根據(jù)礦山生產(chǎn)規(guī)劃，礦權(quán)線300 mm范圍內(nèi)的民房都將搬遷，但目前仍有部分未搬遷的民房。此外，礦山周邊300 m爆破警戒線內(nèi)有部分農(nóng)田和部分農(nóng)村道路通過，主要分布于礦區(qū)東南部區(qū)域。

2 滾石的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)過程

2.1 滾石產(chǎn)生機(jī)理

滾石是指因某種原因從原巖體表面失穩(wěn)，并經(jīng)下落、回彈、跳躍、滾動(dòng)或滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式沿坡面向下快速運(yùn)動(dòng)，最后在較平緩的地帶或障礙物附近靜止下來的個(gè)別塊石[11]，滾石的發(fā)生過程實(shí)質(zhì)上是一種動(dòng)力演化過程。

在臺(tái)階爆破過程中，在爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的聯(lián)合作用下，絕大多數(shù)爆落的塊體向臨空面方向拋擲形成爆堆，部分巖塊順坡繼續(xù)向下滾動(dòng)，少量巖塊會(huì)脫離爆堆飛散一定距離后順坡繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)；后述兩種情況均會(huì)形成滾石。此外，爆破滾石的危害還包括由于爆破振動(dòng)引起的原臨邊危石、孤石等發(fā)生的位移和滾動(dòng)，停滯在邊坡上的石塊在雨水沖刷、地震作用或者爆破作用下再次發(fā)生滑動(dòng)而產(chǎn)生的危害。

在長九神山灰?guī)r礦山爆破開采過程中，爆落的巖塊具有一定初速度，其中的大體積塊石相對(duì)一般情況的落石具有更大能量，對(duì)周邊環(huán)境將構(gòu)成更大威脅。

2.2 運(yùn)動(dòng)過程

本工程將坡面簡化為邊坡段和平直段。假設(shè)在邊坡段滾石由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)狀態(tài)，在變坡點(diǎn)發(fā)生滾石的拋擲運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入平直段，落下后發(fā)生連續(xù)彈跳碰撞，當(dāng)法向速度小于某一值時(shí)轉(zhuǎn)為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

參考張亞輝提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型[3]，并根據(jù)長九神山礦實(shí)際情況對(duì)該模型進(jìn)行簡化，該模型計(jì)算圖示如圖2所示，并提出如下假設(shè)：①忽略滾石之間的相互影響和空氣阻力；②考慮滾石平動(dòng)時(shí)，將滾石簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)；考慮滾石轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將滾石簡化為剛性的均質(zhì)球體；③滾石的碰撞屬于剛體碰撞，碰撞過程中動(dòng)能的損失通過恢復(fù)系數(shù)來考慮；④不考慮滾石碰撞破碎情況。

圖 2 邊坡滾石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算圖示Fig. 2 Schematic diagram of rockfalls′ motion on slope

A邊坡段

一般來說，當(dāng)邊坡坡角小于60°時(shí)，滾石表現(xiàn)為滾動(dòng)。根據(jù)工程資料分析可知長九神山礦山體坡度一般在20°～30°，在本例中取25°的山體坡度。

假設(shè)滾石由A點(diǎn)以初速度v0(沿坡面)開始沿坡面滾下，摩擦系數(shù)μ取tanφ1，則滾石到達(dá)谷底平直段B點(diǎn)時(shí)速度為

(1)

在本工程中，通過不同的摩擦角取值，考慮不同坡面對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。其中，巖質(zhì)坡面、植被覆蓋土質(zhì)坡面的摩擦角φ1分別取10°、13°，初速度考慮0、5、10 m/s三種情況。

B谷底平直段

滾石以速度vB在B點(diǎn)碰撞后，繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的碰撞彈跳，當(dāng)豎向速度減小到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。

圖 3 平直段滾石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算圖示Fig. 3 Schematic diagram of rockfalls′ motion on straight segment

根據(jù)圖3，假設(shè)滾石在B點(diǎn)發(fā)生平直段的第1次碰撞，碰撞前有

vBT1=vBX=vBcosθ1

vBN1=vBY=vBsinθ1

(2)

式中，vBN1、vBT1分別表示滾石在平直段發(fā)生第1次碰撞前的法向、切向分速度。滾石在邊坡段運(yùn)動(dòng)時(shí)，其自轉(zhuǎn)對(duì)于最終運(yùn)動(dòng)距離的影響不能忽略，因此在邊坡段需要考慮滾石的自轉(zhuǎn)，則第1次碰撞后滾石的法向、切向速度分別為[3]

vBN2=RNvBN1

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：CF1=6.096 m/s;CF2=76.200 m/s為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

之后由于滾石的速度和角速度較小，自轉(zhuǎn)對(duì)于彈跳距離的影響較小，可以忽略不計(jì)，可以只考慮動(dòng)能損失。第i次碰撞后，滾石的法向、切向分速度分別為

vBNi+1=RNvBNi

vBTi+1=RNvBTi

(7)

則滾石在平直段坡面發(fā)生第i段彈跳的水平運(yùn)動(dòng)距離Si為

(8)

需要提出的是，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)法向分速度衰減為初始法向速度的0.1以下時(shí)，可忽略不計(jì)認(rèn)為不再發(fā)生彈跳。根據(jù)碰撞恢復(fù)系數(shù)，本工程中滾石在平直段僅發(fā)生三次碰撞：前兩次碰撞后發(fā)生彈跳運(yùn)動(dòng)，第三次碰撞后不再發(fā)生彈跳僅滑動(dòng)，即法向分速度為0。之后，滾石沿平直段發(fā)生滾動(dòng)直至停止，運(yùn)動(dòng)距離為

(9)

式中，tanφ2為本段的摩擦系數(shù)，巖石坡面和土質(zhì)坡面φB分別取25°和30°。

綜上可知，滾石在平直段最終運(yùn)動(dòng)距離為

S=S1+S2+S3

(10)

現(xiàn)根據(jù)長九神山礦工程實(shí)際，對(duì)邊坡爆破開挖滾石運(yùn)動(dòng)路徑及范圍進(jìn)行計(jì)算分析及評(píng)價(jià)。參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]和鐵道部運(yùn)輸局推薦的系數(shù)，法向恢復(fù)系數(shù)RN和切向恢復(fù)系數(shù)RT按表1取值。

表 1 不同坡面的法向、切向恢復(fù)系數(shù)

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，滾石的法向恢復(fù)系數(shù)在0.2～0.5之間，切向恢復(fù)系數(shù)在0.4～0.9之間[13]。在本工程中，對(duì)于基巖坡面和有少量植被覆蓋的軟土邊坡，不同坡面下的恢復(fù)系數(shù)RN、RT取值如表2所示。

表 2 長九神山灰?guī)r礦不同坡面的法向、切向恢復(fù)系數(shù)

同時(shí)，考慮到該工程軟土邊坡下部常有喬木覆蓋，根據(jù)黃潤秋等的試驗(yàn)研究[14]，樹木與滾石碰撞一次的速度恢復(fù)系數(shù)為0.55，本例中假設(shè)滾石僅在邊坡段與樹木發(fā)生一次碰撞。

根據(jù)公式(1)～(10)，計(jì)算得到不同高差下滾石落點(diǎn)距邊坡坡腳的距離，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表 3 不同坡高下滾石停止點(diǎn)距坡腳距離計(jì)算表(單位：m)

通過表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)初速度較小時(shí)，其對(duì)爆破滾石運(yùn)動(dòng)距離的影響較小，可以忽略。其中高程對(duì)爆破滾石運(yùn)動(dòng)距離的影響占主導(dǎo)作用，當(dāng)邊坡高差達(dá)到300 m，邊坡基巖出露時(shí)，滾石停止點(diǎn)距坡腳的距離可達(dá)160 m；邊坡表面有少量植被(灌木)覆蓋時(shí)，考慮到對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，滾石停止點(diǎn)距坡腳距離不大于80 m；當(dāng)邊坡有喬木覆蓋時(shí)，由于其對(duì)滾石的停滯作用，滾石最大運(yùn)動(dòng)停止點(diǎn)小于40 m，但是在此情況下，需要特別注意邊坡上停滯的塊石在雨水沖刷、地震作用或者爆破作用下發(fā)生二次滾動(dòng)危害。

由上述分析，在邊坡高差的影響下，滾石的運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，需要采取一定的措施加以防范和控制。需要說明的，上述模型假設(shè)滾石在運(yùn)動(dòng)過程中沒有任何阻擋，且能夠運(yùn)動(dòng)到坡底。事實(shí)上，在長九神山礦工程中，爆破后的巖塊較小，由于邊坡起伏或植被等的影響，會(huì)對(duì)滾石起到一定的攔截作用，且沒有植被覆蓋的巖石邊坡較少，滾石的實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)略小于表3中的計(jì)算值，結(jié)果偏安全。

3 滾石控制措施

滾石的防護(hù)措施可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)[15]。主動(dòng)防護(hù)是指從源頭上控制潛在的滾石發(fā)生，即在爆破開采過程中通過調(diào)整爆破方案以控制滾石的產(chǎn)生；被動(dòng)防護(hù)指在滾石產(chǎn)生后，采取一定措施避免發(fā)生滾石災(zāi)害，主要包括攔截法、疏導(dǎo)法、監(jiān)測(cè)與警示等。

在長九神山礦爆破開采過程中，主要通過優(yōu)化爆破方案、設(shè)置攔截措施和明確警戒范圍進(jìn)行滾石運(yùn)動(dòng)控制和滾石災(zāi)害防治。

3.1 優(yōu)化爆破方案

針對(duì)長九神山礦開挖方量大、滾石影響范圍廣的特點(diǎn)，本工程主要采取預(yù)留巖墻的松動(dòng)微差爆破方案。自上而下分層爆破開采時(shí)，在靠近坡面一側(cè)預(yù)留具有一定厚度和高度的巖墻，作為屏障阻擋爆破后石塊順坡向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滾石災(zāi)害。

內(nèi)層爆區(qū)可以采取常用的深孔臺(tái)階爆破開挖方案，臺(tái)階高度為15 m；巖墻爆區(qū)臺(tái)階高度略低于內(nèi)層爆區(qū)，為8～15 m，同時(shí)為保證巖墻發(fā)揮其阻擋作用，外側(cè)巖墻爆區(qū)應(yīng)該滯后內(nèi)部爆區(qū)1～2個(gè)循環(huán)。對(duì)巖墻進(jìn)行開挖時(shí)采取微差松動(dòng)爆破方案，并控制爆破方向與山體輪廓線平行，以盡量使外側(cè)巖石僅松動(dòng)而不產(chǎn)生拋擲和滾落。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和資料[16]，對(duì)于巖墻爆區(qū)，巖墻頂部寬度不小于3 m，底部寬度不小于10 m ，在本工程中為保證鉆孔的質(zhì)量和安全，頂部寬度取8～15 m，布置2～3排炮孔，采用相對(duì)較小的炮孔直徑、小單耗的松動(dòng)爆破方案，并采用逐孔起爆網(wǎng)路，其中為盡可能保證爆破后巖石“破而不飛”，最外側(cè)炮孔采用相對(duì)更小的單耗。以3排炮孔布置為例，爆破參數(shù)如表4所示，爆破開挖示意圖及炮孔布置圖如圖4所示。其中，預(yù)留巖墻臺(tái)階內(nèi)側(cè)傾角為70～85°，整體采用微傾斜炮孔布置，基本與內(nèi)側(cè)坡面平行，最外側(cè)炮孔位于臺(tái)階面邊緣。

表 4 松動(dòng)爆破參數(shù)表

圖 4 預(yù)留巖墻爆破開挖及炮孔布置圖Fig. 4 Preserved dike blasting excavation and blast hole pattern

爆破作業(yè)完成之后，采用挖掘機(jī)對(duì)剩余巖墻進(jìn)行開挖，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)指揮和控制警戒，防止在此過程中產(chǎn)生滾石危害。

此外，進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化，如采用梅花形炮孔布置可以有效防止爆破過程產(chǎn)生大尺寸塊石、減小滾石塊度，從而降低滾石危害。保證堵塞質(zhì)量、確保堵塞長度適中、使炸藥盡量沿全長均勻分布、提前清除爆破臺(tái)階上和原邊坡巖體上松石和浮石，也有利于防止?jié)L石災(zāi)害發(fā)生。

3.2 攔截滾石

攔截法是針對(duì)落石范圍大、數(shù)量多、坡型條件復(fù)雜等情況提出的一種在滾石運(yùn)動(dòng)途中對(duì)其進(jìn)行攔截的有效防護(hù)措施[15]。工程中常用的措施包括擋石墻、攔石網(wǎng)、截石溝、防護(hù)棚等，為防止高速運(yùn)動(dòng)的滾石進(jìn)入截石溝后彈跳至防護(hù)區(qū)域造成安全威脅，一般可在截石溝內(nèi)設(shè)置如碎石、砂、土類的緩沖材料；也可以在截石溝外側(cè)設(shè)置擋石墻、攔石網(wǎng)等以增加其對(duì)滾石的攔截能力。在進(jìn)行方案選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要對(duì)滾石的塊度尺寸和運(yùn)動(dòng)特性(包括運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)路徑、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)距離等)有明確的認(rèn)識(shí)。

根據(jù)本工程滾石運(yùn)動(dòng)特性、地形特點(diǎn)和防護(hù)要求，在礦山外圍邊坡坡腳設(shè)置截石溝，實(shí)現(xiàn)爆破滾石的有效攔截；在靠近民房、農(nóng)田、公路等重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，采用擋石墻和截石溝相結(jié)合的滾石攔截措施，更大程度地減少爆破開采落石對(duì)周邊環(huán)境的影響，示意圖如圖5所示。其中，截石溝設(shè)置在近坡腳的位置，并在溝底鋪設(shè)厚度為30～50 cm的碎石和砂墊層用以緩沖，降低滾石的反彈速度和彈跳高度；截石溝采用梯形斷面，寬度和深度不應(yīng)小于4.0 m，內(nèi)外側(cè)邊坡坡比相同，取1∶1.5。在重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，可根據(jù)需求可在截石溝外側(cè)設(shè)置3.0～5.0 m高的擋石墻以增強(qiáng)攔截效果，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響與威脅?？紤]到本工程中滾石的體量較大，擋石墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖 5 滾石攔截控制示意圖Fig. 5 Rockfall intercept control

3.3 合理警戒

本工程在前期試生產(chǎn)過程中，爆破后大塊石滾落至坡底，運(yùn)動(dòng)停止點(diǎn)距坡腳達(dá)150 m之遠(yuǎn)，對(duì)當(dāng)?shù)孛癖娬５纳a(chǎn)生活帶來了極大威脅。根據(jù)2.2節(jié)的計(jì)算預(yù)測(cè)，理論上滾石停止點(diǎn)距坡腳的最大距離可達(dá)160 m。因此，在爆破作業(yè)進(jìn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)置300 m的警戒范圍，如圖6所示。對(duì)礦權(quán)線300m警戒范圍內(nèi)民房、農(nóng)田、公路等應(yīng)采取遷移政策，以更大程度地保證礦區(qū)周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖 6 礦區(qū)爆破警戒范圍Fig. 6 Blasting warning range in mining area

4 結(jié)論

(1)長九神山灰?guī)r礦區(qū)由于邊坡高差大，開采規(guī)模大，爆破過程中滾石運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，影響范圍較廣，若不加以控制，很可能對(duì)周邊設(shè)備設(shè)施、民房民田及農(nóng)村公路帶來較大的危害。因此，需采取一定措施從源頭和運(yùn)動(dòng)過程兩個(gè)方面對(duì)可能發(fā)生的滾石災(zāi)害進(jìn)行控制。

(2)在源頭上采取預(yù)留擋墻的微差松動(dòng)爆破方案，減少石塊拋擲；同時(shí)優(yōu)化炮孔布置和孔網(wǎng)參數(shù)，加強(qiáng)炮孔堵塞質(zhì)量，以控制爆破后巖石的塊度，避免出現(xiàn)體積較大的塊石、增加危害。

(3)在滾石運(yùn)動(dòng)過程中采用截石溝和防護(hù)墻結(jié)合的雙重措施進(jìn)行攔截。在靠近坡腳處設(shè)置截石溝并鋪設(shè)砂墊層進(jìn)行控制，在重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域根據(jù)需求在外側(cè)增設(shè)擋石墻加強(qiáng)防護(hù)。

(4)礦區(qū)外圍300 m范圍內(nèi)設(shè)置警戒區(qū)，該區(qū)域內(nèi)民房全部搬遷，且在爆破作業(yè)進(jìn)行過程中要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格警戒防范。